基于無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輸煤仿真系統(tǒng)

1、基于無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輸煤仿真系統(tǒng)（圖）在輸煤仿真系統(tǒng)中，我們利用了無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，將模塊分散化，具有可移動(dòng)性，能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，為仿真調(diào)試帶來(lái)了方便，同時(shí)也為無(wú)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)找到了一定的事實(shí)依據(jù)。1 引言電廠(chǎng)的一個(gè)重要組成系統(tǒng)是輸煤系統(tǒng)，目前我國(guó)的輸煤系統(tǒng)一般都采用plc、dcs系統(tǒng)，輸煤系統(tǒng)主要由翻車(chē)機(jī)給料帶、輪斗機(jī)、皮帶、犁煤器、碎煤機(jī)、除鐵器等一系列設(shè)備組成，其中皮帶系統(tǒng)占了重要組成部分，皮帶的控制又可分為啟動(dòng)皮帶、停止皮帶、皮帶跑偏報(bào)警、上下級(jí)皮帶的聯(lián)鎖以及皮帶電機(jī)的電流信號(hào)控制，皮帶系統(tǒng)的仿真是輸煤系統(tǒng)仿真中的一個(gè)重要方面，我們必須建立皮帶系統(tǒng)的模型，利用此模型，可以

2、做一些皮帶正常啟停，皮帶故障的模擬，從而達(dá)到對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的模擬，并可以用仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),調(diào)試輸煤系統(tǒng)的目的。就目前的情況看仿真系統(tǒng)一般為有線(xiàn)系統(tǒng)，在很大程度上限制了運(yùn)用仿真系統(tǒng)在不同的地點(diǎn)對(duì)輸煤系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，而目前出現(xiàn)的無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)是用一些無(wú)線(xiàn)模塊搭建的可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或者多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信功能，而在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,我們需要有很多分散的控制模塊，這樣，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，可以很好的實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)或者是其他較分散的系統(tǒng)的仿真。項(xiàng)目選擇了現(xiàn)在比較可靠的無(wú)線(xiàn)模塊ptr8000作為建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本模塊，主要建立一個(gè)輸煤仿真系統(tǒng)，其組成為：一臺(tái)計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上模擬輸煤皮帶的界面，利用o

3、pc server，通過(guò)串口連接無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的作用是實(shí)現(xiàn)上位仿真機(jī)與dcs系統(tǒng)的通信。另外，我們還將開(kāi)發(fā)分別帶ai、ao、di、do接口的無(wú)線(xiàn)模塊，其中帶ai、di模塊的無(wú)線(xiàn)模塊是無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，帶ao、do的無(wú)線(xiàn)模塊是無(wú)線(xiàn)接收模塊，它們分別與dcs系統(tǒng)中的ao、do、ai、di模塊連接。利用這套系統(tǒng)，我們可以很好的完成皮帶系統(tǒng)的模擬,對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行仿真。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。圖1 輸煤仿真系統(tǒng)2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)2.1 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為有線(xiàn)網(wǎng)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，在有線(xiàn)設(shè)施使用受限的場(chǎng)合發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。由于ism(industry/scientific/medical)頻段的

4、開(kāi)放，經(jīng)營(yíng)者和用戶(hù)不用申請(qǐng)受權(quán)就可以自由使用這些頻段，從而促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展。無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸常用的調(diào)制方法有窄帶數(shù)字調(diào)制和擴(kuò)展頻譜調(diào)制，目前以擴(kuò)頻調(diào)制方式居多，主要包括直接序列(direct sequence，ds)擴(kuò)頻、跳頻(frequency hopping，fh)擴(kuò)頻、跳時(shí)(time hopping，th)擴(kuò)頻、線(xiàn)性跳頻擴(kuò)頻及其組合等。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wireless lan)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，隨著wlan市場(chǎng)的急劇增長(zhǎng)，出現(xiàn)了多種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：（1）以無(wú)線(xiàn)lan(local area network)為典型應(yīng)用的、ieee 802.11和hiperlan；（

5、2）由家用射頻工作組(home radio frequency working group,hrfwg)提出的以家庭應(yīng)用為主要背景的共享無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議(shared wireless access protocol,swap)；（3）藍(lán)牙特別興趣小組(bsig)提出的藍(lán)牙系統(tǒng)；（4）lmds(local multipoint distribution service)寬帶固定無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，即本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)系統(tǒng)；（5）超寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(uwb)。802.11標(biāo)準(zhǔn)是ieee(institute of electrical and electronics engineers)推出的無(wú)線(xiàn)互連協(xié)議，包

6、括802.11a和802.11b兩種變體，其中802.11b的速率達(dá)到了11mbps。802.11標(biāo)準(zhǔn)使各種不同廠(chǎng)商的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品得以互連。2.2 無(wú)線(xiàn)模塊（1）ptr8000模塊介紹。ptr8000是專(zhuān)門(mén)為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)的一塊高性能嵌入式無(wú)線(xiàn)模塊，多頻道多頻段，低功耗模塊。內(nèi)置完整的數(shù)據(jù)通信協(xié)議和crc檢錯(cuò)，只需通過(guò)spi即可完成所有的無(wú)線(xiàn)收發(fā)傳輸，無(wú)亂碼輸出。體積較小，內(nèi)置環(huán)行天線(xiàn)，性能穩(wěn)定且不容易受外界影響，對(duì)電源不敏感。它的最大發(fā)射功率為+10dbm，高抗干擾gfsk調(diào)制，可跳頻，獨(dú)特的載波監(jiān)測(cè)輸出，地址匹配輸出，數(shù)據(jù)就緒輸出。由于具有以上特點(diǎn)，這塊無(wú)線(xiàn)模塊適合運(yùn)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作為工業(yè)

7、局域網(wǎng)的基本無(wú)線(xiàn)模塊。（2）其他組成模塊介紹。我們?cè)O(shè)計(jì)的模塊是帶di(開(kāi)關(guān)量輸入)，do(開(kāi)關(guān)量輸出)，ai(模擬量輸入)，ao(模擬量輸出)模塊的無(wú)線(xiàn)模塊，主要利用m68hc12單片機(jī)作為模塊的核心單元，外圍的電路分別實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的di，do，ai，ao功能，并考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾較多，所以在設(shè)計(jì)時(shí)加上外圍的抗干擾電路，例如di模塊的rc濾波電路，光電隔離電路等。利用m68hc12單片機(jī)的spi接口，我們可以很容易的實(shí)現(xiàn)與無(wú)線(xiàn)模塊ptr8000通信。另外，在與上位計(jì)算機(jī)連接時(shí)，我們還設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)與計(jì)算機(jī)連接的m68hc12為核心的收發(fā)模塊。di發(fā)送模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的do模塊，其作用是

8、采集由dcs的do模塊發(fā)送的數(shù)字量，經(jīng)過(guò)一系列處理后，通過(guò)編碼的方式傳送給無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，再按照一定的協(xié)議，發(fā)送出去。do接收模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的di模塊，其作用是將無(wú)線(xiàn)接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列解碼處理后，以數(shù)字兩的形式傳送到dcs設(shè)備上的ai模塊。ai發(fā)送模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的ao模塊，其作用是采集由dcs的ao模塊發(fā)送的模擬量，經(jīng)過(guò)一系列處理后，通過(guò)編碼的方式傳送給無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊，再按照一定的協(xié)議，發(fā)送出去。ao接收模塊：主要是連接dcs設(shè)備上的ai模塊，其作用是將無(wú)線(xiàn)接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列解碼處理后，以模擬量的形式傳送到dcs設(shè)備上的ai模塊。 這樣，五大模塊

9、組成了整個(gè)仿真系統(tǒng)的硬件無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部分，構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)，我們可以利用很多這樣的模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)大的輸煤仿真系統(tǒng)。3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)3.1 原理設(shè)計(jì)由于與rf協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部，ptr8000可與各種低成本單片機(jī)配合使用，也可以與dsp等高速度處理器配合使用；ptr8000提供了一個(gè)spi接口，速率由微處理器自己設(shè)定的接口速度決定.在rx模式中，地址匹配（am）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（dr）信號(hào)通知mcu一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成，微處理器即可通過(guò)spi讀取接收的數(shù)據(jù).在tx模式中，ptr8000自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和crc校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（dr）信號(hào)通知mcu數(shù)

10、據(jù)傳輸已經(jīng)完成。ptr8000有以下三種模式：（1）配置編程：上電后mcu首先配置ptr8000模塊.先將pwr、txen、trx_ce設(shè)為配置模式，mcu通過(guò)spi將配置數(shù)據(jù)移入ptr8000模塊；在掉電和待機(jī)模式工作后,配置內(nèi)容仍然有效.配置數(shù)據(jù)只有當(dāng)電源撤除后才會(huì)消失。（2）發(fā)射模式：當(dāng)mcu有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址（tx-address）和有效數(shù)據(jù)（tx-payload）通過(guò)spi接口傳送給ptr8000.應(yīng)用協(xié)議或mcu設(shè)置接口速度。mcu設(shè)置trx_ce、tx_en為高來(lái)啟動(dòng)輸。ptr8000內(nèi)部處理無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上電，數(shù)據(jù)包完成（前加導(dǎo)碼和crc校驗(yàn)碼），數(shù)據(jù)包發(fā)送

11、（100kbps，gfsk，曼切斯特編碼）。如果auto_retran被設(shè)置為高，ptr8000將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到trx_ce被設(shè)置為低。當(dāng)trx_ce被設(shè)置為低時(shí)，ptr8000結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成待機(jī)模式。（3）接收模式：通過(guò)設(shè)置trx_ce高，tx_en低來(lái)選擇rx模式。650us后，ptr8000監(jiān)測(cè)空中的信息。當(dāng)ptr8000監(jiān)測(cè)到頻率相同的載波時(shí)，載波監(jiān)測(cè)（cd）被設(shè)置為高。當(dāng)ptr8000接收到有有效的地址時(shí)，地址匹配(am)被設(shè)置為高。ptr8000將接收有效的數(shù)據(jù)包(crc校驗(yàn)正確)時(shí)，ptr8000去掉前導(dǎo)碼、地址和crc位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（dr）被設(shè)置為高。mc

12、u設(shè)置trx_ce為低，接收完成，進(jìn)入待機(jī)模式，mcu可以以合適的速率通過(guò)spi接口讀出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)所有有效數(shù)據(jù)被讀出后，ptr8000將am和dr設(shè)置為低。3.2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)mcu主程序在無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如果信息傳輸量很多，任務(wù)飽滿(mǎn)，可采用令牌方式。此種傳播方式比其它方式有更好的吞吐率。其實(shí)現(xiàn)原理如下：網(wǎng)絡(luò)一建立，就產(chǎn)生一令牌，該令牌在網(wǎng)上傳輸。當(dāng)一個(gè)站收到令牌，則說(shuō)明該站具有傳輸信息的權(quán)利，然后進(jìn)行信息傳輸，傳輸完之后，再將令牌發(fā)往下一站。如果該站沒(méi)有信息傳輸，則直接將令牌發(fā)往下一站。下一站獲得令牌進(jìn)行信息傳輸，再將令牌發(fā)往再下一站。以此類(lèi)推，直到所有站傳遞完之后再回到頭，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)

13、全網(wǎng)信息傳輸。要保證可靠接收，環(huán)中任意兩站之間要限制距離，并保證環(huán)路初始建立時(shí)不出現(xiàn)隱蔽結(jié)點(diǎn)。在無(wú)線(xiàn)環(huán)網(wǎng)中采用幀交換方式，在環(huán)網(wǎng)的方式下，主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）系統(tǒng)初始化（令牌產(chǎn)生）。系統(tǒng)初始化需要解決令牌產(chǎn)生的問(wèn)題。當(dāng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安裝好以后，各站均有責(zé)任產(chǎn)生令牌，但在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，僅有一個(gè)令牌。產(chǎn)生令牌的原則是:按地址大小排序，具有最小地址站最有資格作為令牌的起始站。（2）邏輯環(huán)的建立。初次擁有令牌的站，將本站地址填入“征求后繼者”幀中，然后發(fā)送“征求一后繼者”幀，再監(jiān)聽(tīng)信道上有無(wú)響應(yīng)幀。當(dāng)各接收站收到“征求后繼者”幀時(shí)，則將征求者站地址按地址大小排序填入資源表中（重復(fù)的不填），再檢查本地址是否在征求者所需覆蓋的地址范圍，若不在，不發(fā)響應(yīng)幀。若在則發(fā)“設(shè)置一后繼者”響應(yīng)幀。當(dāng)原發(fā)站收到“設(shè)置后繼者”幀時(shí)，建立或修改本站中的后繼者地址，并向后繼者傳送令牌。當(dāng)有多個(gè)響應(yīng)站“設(shè)置后繼者”幀時(shí)，則只能通過(guò)仲裁算法來(lái)確定唯一的響應(yīng)者作為后繼者。后繼者得到令牌之后，再征求后繼者，直到?jīng)]有響應(yīng)為止，然后將資源表中的第一個(gè)站點(diǎn)作為自己的后繼站發(fā)送令牌，這樣邏輯環(huán)就初步建